专利名称：一种基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟实现方法
技术领域：
本发明涉及一种空间增长模拟方法，属于利用工业企业增长空间分布概率模型与 水质水量约束模型进行区域工业企业空间增长模拟的技术领域。
背景技术：
现有的空间增长模拟方法多是用于研究城市用地空间增长模拟，尚未单独研究工 业企业空间增长模拟，对于工业企业空间增长的研究应考虑工业区位论的相关内容；同时 其模拟方法也多以元胞自动机(Cellular Automata，简称CA)模型模拟为主，CA模型是一 种微观动力学模型，是一种“自下而上”的微观模拟系统，目前其在城市发展动态模拟的应 用过程中存在宏观因素缺乏、因素层单一、邻居和转换规则主观等几个明显的局限性；目前 考虑水质水量约束的水文分析模型中常用的是水文学D8分析方法；而线性规划是实现多 目标问题最优化的运筹学数学方法。本发明的背景技术主要涉及以下四个方面1.工业区位论工业区位论从理论上解释区位因子对工业布局的引导，韦伯工业区位论认为工 业的地理位置(工业区位)的选择决定于生产成本费用的大小，任何理想的工业区位都应 当选择在生产成本费用最低的地点上，对成本费用起关键作用的区位因子有运输费用、劳 动力费用和集聚力。工业厂商希望工厂的位置接近货运站或交通非常便利的地区，这样可 以节省原料和产品在区内的运费，降低成本，增加利润。同时工业企业商希望工厂的位置接 近市中心地区，这样即可为企业员工提供便利的生活条件，降低劳动力成本，又可以靠近市 场。运费对工业的基本布局起最有力的决定作用，既包括到市场的距离，也包括到原料地距
1 O工业区位理论强调工业布局一般会考虑离市场距离、劳动力成本、产业集聚以及 市场规模等因素，其中交通条件优势是影响地区工业生产的重要因素。交通导向、集聚导 向、市场因素等是选择制造业区位的重要因子，交通导向表现为工业沿交通轴线分布。集聚 导向则更多理解为现有城市所产生的集聚与规模效益，距离中心城市远近、中心城市规模 及距离主要道路轴线距离是制造业布局的重要条件。“场强模型”是定量运用工业区位论理论进行空间分析的重要模型。中心城市作为 一定区域的核心，影响着周围区域被称为腹地，影响力的大小称为“场强”。采用场强模型可 得到各地区接受区域中心城市辐射力的大小，辐射力越强，区域经济增长能力越强。场强模 型可以更好地模拟包括到中心城市距离与中心城市规模影响等在内的工业区位条件。2.元胞自动机模型CA模型是由Ulam和Von Neumann于20世纪40年代提出的时间、空间、状态都离 散，空间的相互作用及时间上的因果关系皆局部的网格动力学模型。不同于一般的动力学 模型，CA模型没有明确的方程形式，而是包含一系列模型构造的规则。CA模型的思想在地理学中的应用最早可追溯到20世纪60年代；Tobler在20世纪70年代，认识到元胞自动机在模拟地理复杂现象的优势，首先正式采用了元胞自动机的 概念来模拟当时美国五大湖边底特律地区城市的迅速扩展；到20世纪80年代后期，随着计 算机图形学以及复杂系统、混沌系统、分形等学科理论的发展，CA模型开始广泛地应用于城 市和区域方面的研究；到20世纪90年代，城市CA模型获得了很大的发展，开始结合微观和 宏观空间尺度上的要素来进行分析；当前城市CA模型正在向不再把城市看成是一个单独 的自组织系统，而是把城市看作一个受更大尺度因素限制和修改的局部尺度上的自组织过 程转变，在模拟时开始更多地考虑宏观外部因素的影响。3.水文学D8分析方法要在栅格DEM上提取流域信息，栅格间流向的判别是基础，确定各个栅格单元的 水流方向是采用DEM进行地表水文分析的基础。D8算法是较早提出并得到广泛应用的一种 实用算法。基于D8算法有不同的改进算法，但各算法类似，主要的区别在于对疑难点(例 如对平坦区域流向的判别)处理乎法的异同。D8算法中，确定一个栅格的水流方向就是将被处理的栅格单元同其最邻近的8个 栅格单元之间的坡降进行比较，被处理栅格单元中心同其相邻的8个栅格单元中坡降最大 的一个栅格单元中心之间连线的方向被定义为被处理栅格的水流方向，并规定一个栅格的 水流方向用一个特征码表示。有效的水流方向定义为东北、东、东南、南、西南、西、西北和 北。D8算法提取河网一般分4个步骤首先，利用无凹陷点的栅格数字高程模型，计算有效 水流方向分布图；其次，从选定的流域出口栅格始，遍寻所有流向及流径指向出口的栅格， 即可确定该流域的区域及边界；第三步是提取河网，流域中的每一个栅格均可算出汇流至 该栅格的栅格个数，汇流栅格个数超过某一阈值的栅格即可认为是河道；最后，对生成的河 网分级，并划分子流域。水文分析模块是ArcGIS空间分析中的一个功能模块，其运用了水文学D8分析方 法，它的功能主要是通过DEM提取地表水径流模型的水流方向、汇流量积累、水流长度、河 流网络(包括河流网络的分级等)以及对研究区的流域进行分割等。通过对这些基本水文 因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面上再现水流的流动过程，最终完成水文分析 的过程。4.线性规划方法线性规划是运筹学中研究较早、发展较快、应用广泛、方法较成熟的一个重要分 支，它是辅助人们进行科学管理的一种数学方法.研究线性约束条件下线性目标函数的极 值问题的数学理论和方法，英文缩写LP。它是运筹学的一个重要分支，广泛应用于军事作 战、经济分析、经营管理和工程技术等方面。为合理地利用有限的人力、物力、财力等资源作 出的最优决策，提供科学的依据。一般地，求线性目标函数在线性约束条件下的最大值或最 小值的问题，统称为线性规划问题。满足线性约束条件的解叫做可行解，由所有可行解组成 的集合叫做可行域。决策变量、约束条件、目标函数是线性规划的三要素。从实际问题中建立数学模型一般有以下三个步骤1)根据影响所要达到目的的 因素找到决策变量；2)由决策变量和所在达到目的之间的函数关系确定目标函数；3)由决 策变量所受的限制条件确定决策变量所要满足的约束条件。本发明是以城市CA理念为指导，从宏观控制与微观动力两方面进行考虑；根据工 业区位理论，提取企业分布的区位条件，运用基于主成分分析法与交通可达性分析方法改进的场强模型计算工业分布概率，再采取小值叠加方法叠加工业企业分布距离概率，最终 模拟未来工业企业空间生长概率，获取微观动力；根据水文学D8分析方法，划分各子流域， 代入各子流域水资源总量与水环境容量指标，获取宏观控制指标；运用线性规划方法最终 实现多个子流域内部及之间宏观控制与微观动力相协调的总体效应最优化的一种工业企 业空间增长模拟方法。目前工业企业空间增长模拟技术研究在国内尚属空白。
发明内容
1.发明目的本发明目的在于构建一种基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟方法。通 过应用该方法，能在可预测的未来有效地模拟基于水质水量约束下的工业企业空间布局趋 势，进而直接指导工业企业布局，提高工业企业集群的适度规模效益，为发展循环经济、促 进土地高效集约利用以及提高水资源综合利用与水污染综合治理效率提供技术支撑；同时 该方法可以为未来有效地表征与模拟工业水污染负荷空间分布状况及演化趋势提供技术 支撑，进而为治污设施配套提供科学决策依据。2.技术方案未来克服背景技术中所述的现有空间增长模型的缺陷，达到发明目的中所述的效 果，本发明的技术方案包括构建工业企业增长空间分布概率模型，计算工业企业用地增长 需求总量，构建水质水量约束模型，构建运用线性规划方法求最优解及其空间化方法四个 部分，最终模拟在水质水量约束下的工业企业空间增长，技术路线如附
图1所示。1)构建工业企业增长空间分布概率模型，计算空间分布概率A.构建如权利要求2所述的数据库数据库包括基础地形数据，河、湖、水库水文水质数据，土地利用数据，道理交通数 据，工业企业分布数据，社会经济统计数据。B.确定数据分析的最小单元，即栅格尺寸dC.计算场强模型所需的时间距离参数D根据交通可达性计算方法，采用GIS成本加权距离模块，计算最短可达时间距离， 作为每个中心城市场强模型所需的时间距离参数D。D.计算场强模型所需的综合规模参数Za.在遵循系统性、可比性、全面性和可操作性原则的基础上，选取以下5方面16项 指标，构建场强综合规模评价指标体系，如表1所示 表1城市场强综合规模评价指标体系
权利要求
1.一种基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟实现方法，是在受到水资源总量制 约与水环境纳污容量限制下，以提高水资源综合利用与水污染综合治理效率及土地高效集 约利用为目标，在可预见的未来模拟工业企业空间布局增长的一种方法，其特征是在一定 的电子数据上，依据工业企业用地增长概率空间分布情况，以水质水量为约束条件，对工业 企业用地增长总量需求进行空间分配，实现工业企业空间布局增长模拟。
2.根据权利要求1所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征是方法实现 的基础电子数据为地理空间矢量与栅格数据及其对应的属性数据，包括基础地形数据，河、 湖、水库水文水质数据，土地利用现状与规划数据，道理交通现状与规划数据，工业企业分 布数据，社会经济统计数据。
3.根据权利要求1所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征是方法实现 的电子数据分析格式是栅格数据，即通过栅格定量分析模拟工业企业用地增长概率，实现 增长概率空间化并获得每个栅格的独立增长概率，进而在栅格上最终模拟工业企业布局空 间增长结果。
4.根据权利要求1或权利要求3所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征 是栅格尺寸确定依据为分析模拟区域范围大小需求及地理空间数据精度支撑。
5.根据权利要求1所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征是该方法包 括工业企业增长空间分布概率模型与水质水量约束模型。
6.根据权利要求1或权利要求5所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征 是应用GIS空间统计与空间叠置分析技术，综合运用主成分分析法、场强分析方法、交通 可达性分析方法、水文学D8分析方法、线性规划方法，模拟工业企业用地空间布局。
7.根据权利要求1或权利要求5所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征 是工业企业用地增长概率空间分布模拟适用于可预见的未来，即区域社会经济发展目标 与环境保护需求不发生重大改变，区域水资源与水环境状况不发生重大改变，区域道路交 通与土地利用按照相关规划实施建设不发生重大改变，工业企业生产治污技术与交通运输 方式不发生重大改变。
全文摘要
本发明提供一种基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟实现方法。该方法以城市CA理念为指导，首先，提取企业分布的区位条件，运用基于主成分分析与交通可达性分析改进的场强模型计算工业企业分布概率，再采取小值法叠加工业企业距离概率，最终模拟未来工业企业空间增长概率，获取微观动力；其次，代入子流域水质水量参数，获取宏观控制指标；最终，实现基于线性规划的区域宏观与微观相协调的工业企业空间增长模拟及其总体效应优化。该方法能有效模拟并指导工业企业空间增长，提高企业集群适度规模效益、循环经济效益，实现土地高效集约利用，改善水资源综合利用与水污染综合治理效率，为治污设施配套提供科学决策依据。
文档编号G06Q10/00GK102073925SQ201010589118
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者张翔, 徐建刚, 祁毅, 蒋海兵, 韩雪培 申请人:南京大学